LED应用技术-课件 学习单元8、9 LED新技术与配光应用、OLED技术及其应用

1学习单元8LED新技术与配光应用8.1LED控制系统新技术8.2LED的应用与配色8.3LED的二次光学设计8.4LED的防静电控制8.1LED控制系统新技术2常见LED灯饰控制系统1

LED控制协议与接口提纲4联网控制与单机控制3LED-NET系统的特点

TCP/IP协议(TransferControlProtocol/InternetProtocol)叫做传输控制／网际协议，又叫网络通信协议，这个协议是Internet国际互联网络的基础。1

LED控制协议与接口1）TCP/IP

2）DMX512DMX512协议最先是由USITT发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。

DMX512超越了模拟系统，但不能完全代替模拟系统。

DMX512的简单性、可靠性以及灵活性使其迅速成为资金允许情况下选择的协议，除了调光器外，还有一系列不断增长的控制设备。

DMX512仍然是科学上的一个新领域，具有在规则基础上产生的各种技术。串行SPI控制方式。以级联的方式进行控制。由于这种控制方式的芯片是专为LED显示屏设计的，而为显示屏设计的LED驱动芯片是多路的，如8路、16路，所以这种控制方式应用较多的是在LED轮廓灯上。以RS485联网控制方式。每个LED灯具内置一片单片机进行控制并连接到RS485总线上，通过一台控制器对RS485总线上的每个单片机进行控制。DMX512控制系统。目前，DMX512是应用最广泛的LED控制系统，实际上是LED市场单独的标准。2常见LED灯饰控制系统LED—NET系统由PC应用软件、DMX512炫彩灯光控制器、DMX512解码器、DMX512地址写入器等组成。LED—NET系统可分为Ethernet和DMX512区两部分，两部分可以分离开，也可以结合在一起。由于DMX512协议要对每个接收设备设定地址，通常是每个接收设备有一个二进制或十进制拔码开关设定地址。3LED-NET系统的特点通过局域网与PC连接实现联网控制，实时显示PC机上显示的图像，采用这种连接方式使系统组网更加灵活方便，可以控制无限多的LED灯饰，也可实现脱机控制。每个炫彩灯光控制器都有一个MMC/SD卡接口，通过PC端软件把变化程序烧写在MMC/SD卡上，通过RS485总线实现N台控制器的同步。4联网控制与单机控制使用一台炫彩灯光控制器，把用PC软件制作好的变化程序写到炫彩灯光控制器的MMC/SD卡上。可控制单色512/1024或全彩170/340个像素点。炫彩灯光控制器应用8.2LED的应用与配色

2LED应用在显示屏1

LED交通信号灯配光应用提纲4超高亮LED控制技术3配色和混色问题

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LED交通信号灯配光应用1）交通信号灯基本光学系统白炽灯交通信号灯结构

LED交通信号灯结构

无论是欧洲的ECE、美国的ITE，还是我国的国家标准,对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布。因此，可以计算出达到标准要求的最小光通量2）光通量的估算利用此式可以计算所用LED的光通量LED光强分布示例

透镜越厚，意味着光在经过透镜过程中损失越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。3）透镜单元菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较

LED交通信号灯单元结构示意图

LED交通信号灯2LED应用在显示屏

LED背光

LED显示屏红色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.3÷2绿色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.6蓝色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.1例如：每平米2500点密度，2RIGIB，每平米亮度要求为5000cd/m2，则红色LED灯亮度为5000÷2500×0.3÷2-0.3(cd)绿色LED灯亮度为5000÷2500×0.6÷2-1.2(cd)蓝色LED灯亮度为5000÷2500×0.1-0.2(cd)每像素点的亮度为0.3×2+1.2-1-0.2=2.0(cd)注：此处以亮度为计算依据，红、绿、蓝的亮度以3：6：1的比例关系设置。

LED应用在显示屏中亮度及点密度的计算在不同的环境背景条件下，LED显示屏所需的亮度是不同的，一般情况如下：室内：大于800cd/m2；半室内：大于2000cd/m2；户外（坐南朝北）：大于4000cd/m2；户外（坐北朝南）：大于8000cd/m2。

在不同的环境下LED显示屏需要的亮度室内室外显示屏LED显示屏与LED灯饰的相同点与不同点相同点都是采用LED发光管;都是用红、绿、蓝三种发光管形成丰富的色彩;均可显示各种色彩的文字、图像、视频;主要区别显示屏要求LED发光管的一致性要高;显示屏点阵的排列紧密，灯饰的排列稀疏;显示屏显示精细的图像与视频显示屏生产成本较高，灯饰生产成本较低。

LED大屏是由大量的发光二极管组成的，必须对所用发光二极管的光电参数进行设计、计算和测试，才能达到良好的白平衡。简单的估算和凭肉眼感觉判断是不可能有好效果的。3配色和混色问题

LED真彩显示单元

1)LED的排列结构在同一个发光单元中LED应紧密排列，这样可使得各LED的光斑在观赏者眼中成像重叠；相邻发光单元中心距应相同，并且该中心距满足4超高亮LED控制技术显示控制电路分为三个模块：红色模块、绿色模块、蓝色模块。

2)控制电路结构控制电路结构微控制器通过一条数据输出线向LED驱动芯片的串行数据输入脚发送串行数据;另一条数据输出线向LED驱动芯片的时钟信号输入脚发送时钟控制信号;微控制器向LED驱动芯片的输出允许控制脚发出输出使能信号，使LED驱动芯片根据所存储的数据驱动LED发光。若将红、绿、蓝三基色LED按一定比例和一定的结构排列起来，可显示出各种颜色、多种图案、文字以及其组合形成的任意动态显示效果。3)控制原理运用嵌入式控制技术对每个红、绿、蓝LED实现全数字的、独立的控制，每种单基色可产生256级灰度。可实现按占空比方式对各红、绿、蓝LED发光灰度协调控制，使三基色发光二极管按灰度等级混合后可以产生1600多万(2563)种颜色。由于能对每个红、绿、蓝LED管实现独立控制，这样本控制电路可以根据用户需求，全彩地显示各种图案、文字以及两者任意组合而产生的各种效果。4)控制电路特点8.3LED二次光学设计

2LED系统的光学设计1LED光学设计的基本光学元件提纲透镜的作用是使点光源发出的光线进行汇集或发散，起到改变出光角度的大小从而改变照明面积和照度的作用。在实际使用中，通过改变光源到镜头的距离Lf来控制光束发散角W。1LED光学设计的基本光学元件1）透镜透镜对光线的作用

抛物面:抛物反射面把位于焦点，处的光源所发出的光线变为平行光2）非球面反射镜抛物面椭球面:椭球反射面把位于第一焦点F1处的光源汇聚到另一焦点F2处，从而起到汇聚光线的作用

椭球面双曲面:双曲反射面是把焦点F2处的光源成像在虚焦点F1处，相当于光线由F1发出，实际起到改变光源发散角的作用

双曲面3）折光板柱形或球形折光板

梯形折光板齿形折光板散射板的原理与梯形折光板或柱形折光板相同，主要在一个方向扩展光束角，同时使照明均匀。在用做信号灯时，可以使发光面显示均匀。

2LED系统的光学设计1）散射型LED的散射型系统光学设计由于LED单管封装时聚光能力有限，因此需外加透镜或透镜阵列进一步聚光，从而达到提高光强的目的。

2）聚光型LED的聚光型系统光学设计8.4LED的防静电控制

2带电电位与体电阻率1静电基础知识提纲4防静电措施3生产环境什么是静电(ES，electrostatic)，即由于电荷和电场的存在而产生的一切现象。静电并非静止不动的电，而是缓慢移动的电荷。其磁效应可以忽略。静电与常用电从性质上是一样的，本质都是电荷。1静电基础知识

1）静电的概念

2）静电现象静电力学现象静电引力，像静电吸尘、静电植绒、静电复印机等；静电排斥力，如纸张布卷绕不齐、不规则，整形不佳，混合不良。静电感应现象静电噪音，机器损耗，继电器与电子元件误工作，自控失灵，电路不良，必须加以静电屏蔽。我们常见的油轮、油罐汽车上会带有一根铁链连接地面，就是用于静电放电。静电放电现象静电噪音、放电噼啪声，雷鸣电闪，天空乌云与地面正负电荷放电，等等。可以导致电子元器件pn结击穿、自动开关误操作等。3）静电的产生

任何物体上的静电，主要都是由于摩擦或感应两个过程产生的，这是一种普通的物理过程，尤其是干燥环境下的气体或者高纯水高速流动过物体表面，都会使之带上电荷。一般情况下，无机材料（如石棉、玻璃、云母等）更易带正电荷；有机高分子材料（如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯树脂、聚亚胺酯等）易带负电荷。

物体摩擦带电情况静电来源相对湿度10%～25%RH的静电电位相对湿度65%～90%RH的静电电位行走在地毯上35000V15000V行走在胶地板上12000V250V在工作台上操作6000V100V捡起塑料胶袋20000V1200V推动发泡胶椅子18000V1500V人在室内做出动作时所带的静电体电阻处于1011～l014Ω·cm的绝缘体最易摩擦起电；体电阻<l010Ω·cm的材料含杂质多，导电性较好，产生静电可以很快消失。工作人员穿着橡胶鞋、聚乙烯拖鞋、合成纤维袜子在车间内走动，或在聚胺酯地面、塑料工作面上操作，可以使人体带上2000～3000V的静电。2带电电位与体电阻率半导体制成器件电阻率(Ω·cm)导热系数(W／(m·k))散热性抗静电电压(v)硅二极管三极管的衬底10-2～l02<l09150较好600碳化硅红色LED的衬底105～l06490好1000蓝宝石蓝光、白光LED的衬底>10649较差500硅、碳化硅、蓝宝石的物理特性3生产环境

地面、墙壁、工作台带静电情况：光刻车间塑料板地面的静电电位约为500～1000V，扩散、洗手间的塑料墙纸为500～1500V，清洗间的瓷质地面为0～1500V，扩散间的塑料墙地面为700V，塑料顶棚为0～1000V。台面为500～2000V，最高可达5kV。风口、扩散间铝孔板的送风口为500～700V。人和服装可为30kV，非接地操作人员一般可带3～5kV，高时可达10kV。喷射清洗液的高压纯水为2kV，聚四氟乙烯支架有8～12kV，芯片托盘为6kV，硅片间的隔纸可达2kV。各环节要尽量减少接触这类LED器件的人数，限制人员不必要的走动，搬推椅子。使用导电率好的包装袋来包装LED。应戴上手套接触LED器件（但不能戴尼龙和橡皮手套）。取出备用的LED器件后不要堆叠在一起，器件尽量不要互相接触。从包装袋中取出而暂时不用的器件，应用防静电袋包起来。必须用手接触LED的器件时，应接触管壳而避免接触LED器件的引出端。要接触LED器件前，应将手或身体接“地”一下，把静电释放干净。4防静电措施电烙铁要求永久接地。工作环境的相对湿度应保持在50%左右，不穿容易产生静电的工作服。车间地面应采用含碳塑料、含碳橡胶或导电乙烯做成，电阻率η<105Ω·cm或用静电耗散性材料，电阻率应在105Ω·cm～l09Ω·cm之间。椅子和工作台上应附加一层静电耗散材料，椅子的电阻率应是l05Ω·cm～l08Ω·cm之间。工作服、棉制工作服有一定的导电性，最好使用防静电服。工作鞋要用静电耗散型材料做成，电阻率在l05Ω·cm～l08Ω·cm之间，也要有防静电鞋。带上防静电手镯实际上是手镯与手接触，再把手镯接“地”，这样手与地就成为同电位，可将人身上的静电释放。在工作区域使用离子风扇防止静电积累，因为离子风扇送出的负离子能与静电中和，不会使静电积累成很高电压。车间里所用的设备都要有良好的接地，接地电阻不能大于10Ω。车间入口处一定要有接地金属球，人进入时先摸金属球，以释放身上的静电。46学习单元9OLED技术及其应用9.1OLED的概述

9.2OLED的驱动技术9.3OLED电源偏置及驱动电路设计9.4ALINETEK的OLED显示模块9.5OLED的特点及其问题9.6OLED技术与产业的现状及发展趋

9.1OLED的概述

20LED的基本结构发光原理1

0LED技术研发简历提纲40LED彩色化的实现

3有机电致发光(OEL)材料1987年，柯达公司的邓青云等人以8-羟基喹啉铝为发光材料；1990年，英国剑桥大学的J.H.Burroughes等人用共轭高分子材料制成了有机聚合物OLED器件；1997年，日本的Pioneer公司将256x64单色OLED用在汽车音响面板上，正式打开了OLED产业化的突破口。1998年，日本出光兴产公司和日本真空技术公司合作，开发出20英寸的单色OLED显示屏，使得OLED大尺寸化成为可能。2001年，Pioneer公司正式批量生产车载电视机用5.2英寸全彩OLED显示器。2004年5月，Epson公司发布了全球当时最大的40英寸OLED显示器样机，令业界震惊。2005年，韩国三星公司宣布完成40英寸AM-OLED面板原型开发。1

0LED技术研发简历20LED的基本结构与发光原理

0LED结构

OLED的发光过程可概括为以下4个步骤载流子的注入；载流子的传输；载流子复合与激子的形成；激子衰减而发出光子。OEL材料主要分小分子和高分子两大类。小分子发光材料的荧光量子效率高，容易提纯，在亮度、色纯及颜色表现等方面优于高分子材料。3有机电致发光(OEL)材料小分子发光材料的分子结构

高分子发光材料则在加工性、机械性能、稳定性及成本上占优势，通过分子设计还可以实现能带调控，得到全色发光器件。

高分子发光材料的分子结构

由于磷光有机发光材料的发光效率远大于荧光材料，从降低显示面板功耗方面考虑将是一良好选择。

磷光有机发光材料分子结构图

利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金属荫罩与CCD像素对位技术，首先制备红、绿、蓝三基色发光中心，然后调节3种颜色组合的混色比，产生真彩色，使三色OLED元件独立发光构成一个像素。40LED彩色化的实现

1）RGB像素独立发光（RGB三基色发光法）光色转换是以蓝光OLED结合光色转换膜阵列，首先制备发蓝光OLED的器件，然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光，从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。这种技术不需要金属荫罩对位技术，只需蒸镀蓝光OLED元件。它的缺点是光色转换材料容易吸收环境中的蓝光，造成图像对比度下降，同时光导也会造成画面质量降低的问题。

2）光色转换法3）彩色滤光膜法方法三基色发光法彩色滤光膜法光色转换法色纯度优佳佳发光效率高低一般尺寸一般可大尺寸可大尺寸精细度一般佳佳成本高低中等厂商NEC.Pioneer.SONY.Stamley.Samsung等TDK、Sanyo出光兴产、富士电机

0LED彩色化实现方法

9.2OLED的驱动技术

20LED供电电源解决方案10LED的驱动方式提纲10LED的驱动方式1）无源矩阵OLED(PM-OLED)驱动无源矩阵OLED驱动原理图AM-OLED配置了具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管，并且配备了储存电容器及驱动TFT

2）有源矩阵OLED(AM-OLED)驱动有源矩阵OLED驱动电路AM-OLED显示结构及工作原理图

3）PM-OLED与AM-OLED驱动方式比较

驱动方式比较项目PM-OLEDAM-OLED特点瞬间高亮度发光，面板IC外附，扫描线循序扫描连续发光，TFT驱动电器，信息循序写入扫描，需在TFT面板上形成OEL像素显示能力单色或者多色全彩优势构造简单，成本低，容易设计，单色控制简单低电压驱动，低电耗，适合高清晰大尺寸画面，亮度高，发光寿命长，响应时间快劣势耗电量大，寿命短，组件易老化，不适合向高清、大尺寸方向发展技术门槛高，需要低温多晶硅(LTP-SiTFT)技术或者非晶硅(a_Si)技术，生产成本高应用产品汽车音响显示、手机副屏、游戏机手机主屏、数码相机、PDA、数字摄像机等主要厂商日本东北先锋、三星SDI、铼宝科技、TDK等SKDisplay（已退出）、ELDis（已退出）、TMD、Hitachi.Toshiba.Sony等目前市场比重97%3%20LED供电电源解决方案

1）PM-OLED显示器需要10～20V的正偏置电源供电基于ZXLB1600的电感升压OLED偏置电源电路开关波形和输出电压纹波基于TPS61045的升压变换器电路

2）AM-OLED显示器通常需要正和负的偏置电源供电基于LTC3459的升压变换器电路基于TPS65130的正／负双输出变换器电路3）OLED电源变换器必须具备快速瞬态响应特性AAT1230与普通升压变换器瞬态响应曲线比较

9.3OLED电源偏置及驱动电路设计

2OLED驱动电路设计

1OLED电源偏置电路设计提纲该芯片将功率MOSFET、节能电路、控制逻辑电路以及保护电路集成在一起，从而简化了外围电路的设计；工作频率高达800kHz，允许使用微型表面贴装元件。超低功耗开路保护，能防止输出电容和负载损坏。允许采用锂离子电池供电；采用SOT23-6封装。1OLED电源偏置电路设计1）MAX8570变换器的特点及工作原理MAX8570的内部结构及由其组成的升压变换器电路。当MAX8570上电时，其芯片内部的P沟道MOSFET导通，电源电压VCc经电感Li分成两路

MAX8570内部结构单独给电感供电的电路输出电压的设置2）OLED电源偏置电路的设计极限电流值的设置

电感的选择

电感是升压变换器的关键元件，其取值大小直接影响着整个电路的正常工作。如果需要追求高效率，最好选择电感量较小的电感。在选择电感时，需要根据输出电流、MAX8570的工作频率、电感的直流电阻、电感的额定电流和纹波电压等条件来综合决定。推荐电感值的范围为l0～l00μH。二极管的选择二极管的开关损耗占系统损耗的1/6～1/5，是影响升压变换器效率的主要因素，包括正向导通损耗和反向恢复损耗。使用具有快速恢复时间及正向压降较小的肖特基二极管，其额定电流值应大于峰值开关电流，反向击穿电压应大于输出电压。常用的肖特基二极管有MBR0520、MBR0530、ZHCS400等。电容的选择输出电容既能维持输出电压，也能平滑因MOSFET开关产生的纹波电压；在保证足够带宽的前提下，应选择ESR（串联等效电阻）和ESL（串联等效电感）较小、耐压值较高的输出电容。输入电容主要用于滤除电源中的纹波电压，建议采用X5R或X7R介质材料的陶瓷电容，其电容容量可取1～6.8μF。在MAX8570的输出端与FB端之间增加一只反馈电容，可改善输出电压的稳定性，推荐使用一只47pF的陶瓷电容。3）AM-OLED电源偏置电路的设计基于MAX8570的正／负双电压输出电路2OLED驱动电路设计1）SSD1303驱动及接口电路SSD1303结构图DC/DC升压变换器电路2）软件设计内部寄存器初始化程序9.4ALINETEK的OLED显示模块

2模块原理1模块特点提纲4初始化过程3SSD1306常用的命令模块有单色和双色两种可选，单色为纯白色，而双色则为黄蓝双色。尺寸小，显示尺寸为0.96寸，而模块的尺寸仅为27mm*26mm大小。高分辨率，该模块的分辨率为128*64。多种接口方式，该模块提供了总共5种接不需要高压，直接接3.3V就可以工作了。1模块特点ALIENTEKOLED模块外观图2模块原理有2种方式与OLED模块连接，一种是8080的并口方式，另外一种是4线SPI方式。1）模块连接方式8080并口写时序图SSD1306的8080并口读时序图

功能RDWRCSDC写命令H↑LL读状态↑HLL写数据H↑LH读数据↑HLH控制脚信号状态功能表线串行（SPI）方式4线串口模式使用的信号线有如下几条：CS：OLED片选信号。RST(RES)：硬复位OLED。DC：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。SCLK：串行时钟线。在4线串行模式下，D0信号线作为串行时钟线SCLK。SDIN：串行数据线。在4线串行模式下，D1信号线作为串行数据线SDIN。模块的D2需要悬空